氙燈和自然氣候老化對(duì)水性多彩仿石涂料性能的影響

王燕，朱宇宏，曹麗芬，陳韶，余輝，郭靜卓

（江蘇省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，江蘇南京 210007）

水性多彩仿石涂料具有良好的仿真性、美觀性，因此可以用于代替價(jià)格昂貴的稀有石材，并且有效降低石材用于外墻裝飾的公共危險(xiǎn)性；其價(jià)格僅為天然石材的1/10～1/5，可以有效節(jié)約工程成本[1]。它還擁有壽命長(zhǎng)，附著力強(qiáng)，質(zhì)地輕，抗污性好，耐水、耐堿、耐鹽霧和耐洗刷性能超群的優(yōu)點(diǎn)，并可用于內(nèi)外墻和地坪，因此成為未來極具應(yīng)用前景的新型建筑裝飾材料。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)多彩仿石涂料的檢測(cè)方法主要是根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 4343—2013《水性多彩建筑涂料》、JC/T 24—2000《合成樹脂乳液砂壁狀建筑涂料》和 GB/T 9755—2014《合成樹脂乳液外墻涂料》標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，相對(duì)于橡膠、金屬等已具有經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算使用年限的材料，涂料由于其多樣性尚未有通用的經(jīng)驗(yàn)公式。國(guó)內(nèi)外目前也還未有關(guān)于涂料老化機(jī)理及壽命評(píng)估方面全面而詳實(shí)的研究、總結(jié)。本文主要研究水性多彩仿石涂料在氙燈老化下和自然氣候老化的壽命及其相關(guān)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料和儀器

水性多彩仿石涂料底漆、中涂漆和罩面漆：南京龍虎涂料有限公司。

體式顯微鏡（SZX16）：奧林巴斯（中國(guó)）有限公司；臺(tái)式分光測(cè)色儀（650）：美國(guó)datacolor公司；紅外光譜測(cè)定儀（IS10）：美國(guó)Thermo公司；熱重分析儀（209F3A）：德國(guó)NETZSCH公司；接觸角測(cè)量?jī)x（DSA100）：德國(guó)Kruss公司；氙燈老化箱（XE-3HS）：美國(guó)Q-LAB；光澤度儀（MN60）：天津市其立科技有限公司。

1.2 試樣的制備

試驗(yàn)用樣板的常規(guī)性能檢測(cè)均為無石棉水泥板，規(guī)格150 mm×70 mm× 5 mm，其表面處理按GB/T 9271—2008[2]中10.2的規(guī)定進(jìn)行。試板的制備按GB/T 9755—2014[3]進(jìn)行，涂刷后養(yǎng)護(hù)7天。制備了兩種涂料板，包括龍虎涂料涂有罩面漆（1-1）、龍虎涂料未涂罩面漆（1-2）。其中每種涂料板均放入氙燈老化箱3塊，45°和90°暴露在自然氣候中老化各3塊，另外每種保留3塊在干燥、黑暗的干燥皿中作為空白樣。

1.3 氙燈老化試驗(yàn)

人工氣候老化按照GB/T 1865—2009[4]進(jìn)行輻照，并定期取樣跟蹤老化結(jié)果，結(jié)合色差儀、體式顯微鏡監(jiān)測(cè)涂層的外觀變化。采用TGA對(duì)涂層的熱降解穩(wěn)定性進(jìn)行分析，全反射紅外跟蹤測(cè)試不同老化時(shí)間下基團(tuán)吸收峰的變化。

1.4 日照老化試驗(yàn)

自然氣候老化按照GB/T 3681—2011[5]中的方法A進(jìn)行老化。

1.5 測(cè)試表征

本實(shí)驗(yàn)使用體式顯微鏡觀察經(jīng)過不同時(shí)間老化的水性多彩仿石涂料板表面的變化，觀察裂紋出現(xiàn)，放大倍率在20×～116×。

使用FT-IR紅外光譜儀對(duì)制得的水性多彩仿石涂料板進(jìn)行表征，測(cè)試時(shí)掃描范圍為400～4 000 cm-1。

使用臺(tái)式分光測(cè)色儀對(duì)不同時(shí)間老化的水性多彩仿石涂料板顏色的變化進(jìn)行表征，通過與未老化時(shí)樣品的顏色進(jìn)行對(duì)比，得到色差值。

采用熱重分析儀表征老化前后樣品的耐熱性能。采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，溫度范圍為 40～700℃，升溫速率為10 ℃ /min，空氣流為 50 mL/min。

使用接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3個(gè)位置進(jìn)行接觸角測(cè)試，并使用3次的平均值表征耐水性能。

使用光澤度儀（60°）對(duì)老化前后的水性多彩仿石涂料的表面上、中、下3個(gè)位置進(jìn)行光澤度測(cè)試，并使用3次的平均值表征光澤度，計(jì)算出光澤度的變化值。

2 結(jié)果與分析

2.1 形貌表征

不同老化方式和老化時(shí)間的顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，a、b均為氙燈老化開始出現(xiàn)裂紋圖，其中a涂有罩面漆，老化時(shí)間982 h，b無罩面漆，老化時(shí)間557 h；c、d、e、f均為自然氣候老化開始出現(xiàn)裂紋圖，其中c、d涂有罩面漆，c為45°暴露，老化時(shí)間為9個(gè)月；d為90°暴露，老化時(shí)間為9個(gè)月；e為日照老化，無罩面漆，45°暴露，1個(gè)月；f為無罩面漆，90°暴露，3個(gè)月。

圖1 不同老化方式和老化時(shí)間的顯微圖

罩面漆能增加涂料的抗開裂能力，開裂方式以產(chǎn)生裂縫為主，未涂罩面漆的涂料開裂以表面脫落為主。從裂紋判斷表面涂有罩面漆的漆板在氙燈老化982 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化9個(gè)月相近；未涂罩面漆的漆板在氙燈老化557 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化1個(gè)月相近。從圖1中可以看出，裂紋主要出現(xiàn)在彩色顆粒上。

2.2 紅外表征

從圖2中的2 869.3 cm-1、1 729.2 cm-1、1 456.5 cm-1、1 385.7 cm-1、1 231.8 cm-1、1 116.6cm-1等吸收峰和圖3中的 2 926.0 cm-1、2 869.3 cm-1、1 731.3cm-1、1 456.5 cm-1、1 379.8 cm-1、1 229.9 cm-1、1 134.9cm-1等吸收峰在老化的過程中變小，且c＜b＜d＜a，由此可以看出，漆板在45°暴露進(jìn)行自然氣候老化下表面的漆降解的最快。圖3與圖2比較，少了1 268 cm-1處的Si-(CH3)2的特征吸收峰，其表面未涂硅丙清漆[6]。

圖2 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的紅外譜圖

圖 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的紅外譜圖

2.3 熱重表征

從圖4和圖5可以看出，未經(jīng)老化的涂料失重最多，主要因?yàn)槠浔砻嫖从袩o機(jī)物的污染，且涂料未經(jīng)過自然氣候老化中雨水沖刷和氙燈內(nèi)漆板的潤(rùn)濕，失重部分為涂料的分解。c、d漆板表面有無機(jī)物的污染，且c漆板污染的較為嚴(yán)重，其失重較少。老化后漆板的最大降解速率溫度要高于未老化的漆板溫度。

圖4 涂有罩面漆的涂料在不同老化方式下的熱重譜圖

2.4 接觸角表征

接觸角可反映涂料的抗沾污性，接觸角越大，抗沾污性能越好。從表1可以看出，在經(jīng)過老化后，涂料表面的接觸角都減小，其中在氙燈人工老化后，接觸角減小較少，自然氣候老化引起的接觸角變化最大，且45°暴露的漆板接觸角減少的最多，抗沾污性最差。涂有罩面漆的板子接觸角較大，且數(shù)值變化較小。自然氣候老化一方面引入雜質(zhì)導(dǎo)致表面平整度下降，另一方面自然氣候老化對(duì)涂料板的降解較快。

表1 不同老化方式對(duì)涂與未涂罩面漆板子的接觸角的影響

圖5 未涂罩面漆的涂料在不同老化方式下的熱重譜圖

2.5 色差表征

2.6 光澤度表征

從表2可以看出，涂有罩面漆的漆板光澤度比較高，氙燈老化1 300 h的光澤度與自然氣候老化90°暴露的漆板老化1年的光澤較為接近。自然氣候老化45°暴露的光澤最低。通過對(duì)比可以看出涂罩面漆的漆板光澤度變化略高于無罩面漆的漆板。

圖6 自然氣候老化對(duì)涂與未涂罩面漆漆板色差的變化圖

圖7 氙燈老化方式對(duì)涂與未涂罩面漆涂層板子色差的變化圖

表2 不同老化方式對(duì)涂與未涂罩面漆板子的光澤度的影響

3 結(jié)論

（1）罩面漆能增加涂層的抗開裂能力，以產(chǎn)生裂縫為主，無罩面漆的涂料開裂以表面大面積掉落為主。從裂紋判斷表面涂有罩面漆的漆板在氙燈老化982 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化9個(gè)月相近；未涂罩面漆的漆板在氙燈老化557 h的裂紋程度與自然氣候老化45°暴露的漆板老化1個(gè)月相近。

（2）對(duì)裂紋相似的老化漆板進(jìn)行ATR-FTIR圖譜分析，表明罩面漆為硅丙樹脂，峰高為c＜b＜d＜a，即45°暴露的漆板經(jīng)過日照老化，降解的最快，其次是氙燈老化。

（3）老化后漆板的最大降解速率溫度要高于未老化的漆板溫度，且失重量最大。

（4）接觸角測(cè)試表明自然氣候老化對(duì)接觸角的影響要高于氙燈老化，罩面漆能夠增強(qiáng)漆板的抗污能力。

（5）老化后的色差最大值為3.0，涂有罩面漆的漆板氙燈老化和自然氣候老化1～4個(gè)月較為接近，未涂罩面漆的板子氙燈老化和自然氣候老化90°暴露的漆板色差變化接近。

（6）自然氣候老化對(duì)光澤的影響較大，其中氙燈老化1 300 h與90°暴露的漆板老化1年的光澤度接近。